跨介质航行器出入水连续弹道试验与仿真

为研究跨介质航行器出入水连续弹道特性,搭建高速入水弹道试验平台,并设计带有内测系统的试验模型,对跨介质航行器出入水连续弹道过程进行试验研究。建立耦合求解流场和航行器运动的非定常数值仿真模型,研究航行器出入水连续弹道的运动规律与流体动力特性,并通过试验结果验证其准确性。研究结果表明：新提出的跨介质航行器实现了入水-转平-出水连续弹道过程,其弹道轨迹呈类抛物线状,入水最大深度为0.9 m;航行器出入水连续弹道运动可分为入水滑行阶段、呈双侧尾拍运动的超空泡航行阶段以及单侧尾拍运动的出水阶段;航行器流体动力特性呈脉冲式振荡特性,由圆锥段、圆柱段以及尾裙段构成尾部流体动力;预置舵角与尾裙的组合形式能够提高跨介质航行器连续出入水的稳定性。     

超空泡航行器流体动力仿真分析

超空泡航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式完全不同于常规航行器,其受力状态也极其复杂,这种新的流体动力是非线性的。为了进一步分析超空泡流场中航行器的受力特性,需要对其流体动力进行线性化处理。本文描述了超空泡形态,讨论了影响超空泡变形的主要因素,对超空泡流场中航行器的滑行力和空化器升力做了分析和线性化处理。仿真结果表明,滑行力和空化器升力在一定范围内是线性的,利用经线性化的力可进一步分析航行器的运动特性。     

超空泡水下航行器空间运动建模与弹道仿真

在包含超空泡“时间延迟”效应的基础上,建立了超空泡水下航行器空间运动模型。模型中体现了机动条件下空泡中轴线相对航行器中轴线的偏移产生的流体动力及力矩。为考察该模型在强机动条件下的准确性,进行了弹道仿真分析。结果表明所建立的模型能够描述航行器机动运动的特性;同时表明在实施极限操舵模式时,舵角极限量是影响姿态角对舵角振荡特性的关键因素。该结论对超空泡水下航行器控制技术研究具有重要意义。     

超空泡航行体的增益自适应变结构控制设计

针对超空泡航行体在实际巡航时具有其独特的运动特性,同时存在流体动力系数的摄动及尾部流体未知干扰等问题,提出了增益自适应变结构的控制方法。首先改进了目前普遍采用的超空泡航行体的数学模型,借鉴Backstepping思想设计了滑动模态面;采用增益自适应算法对干扰未知上界进行了估计,最后设计了基于变结构理论的控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明:该系统响应快速,具有很好的鲁棒稳定性能。     

超空泡航行体的变结构控制器设计

超空泡航行体由于浮力缺失以及尾部滑行力的出现,使航行体具有了尾拍、结构振动和非线性等复杂的运动特征,给超空泡航行体的运动稳定控制设计造成了极大的困难。通过分析作用在超空泡航行体上的流体动力,推导出了超空泡下潜一俯仰面运动数学模型。依据对该模型开环时的系统特性分析,针对开环系统的不稳定性,设计了基于改进型指数趋近率的变结构控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明,该闭环系统响应快速,具有良好的稳定性能。     

考虑空泡的空投航行器入水弹道研究

在分析有关资料的基础上,对某型航行器的入水弹道进行了详细计算。在考虑入水空泡的基础上,建立了入水过程的运动学和动力学模型,在Matlab环境下进行了仿真计算,求解了航行器带空泡航行阶段的流体动力,给出了2种外形航行器在2种典型工况下的入水深度、姿态和速度随时间的变化。结果表明,展开翼对航行器的空泡段时间影响不大,对入水弹道有非常明显的影响。     

超高速水下航行器航向控制方法

针对超高速水下航行器巡航阶段的超空泡运动特性及其具体运动条件下的特点,考虑发动机推力偏心会造成航向误差,建立了航行器水平面运动方程,分析了其欠阻尼运动特性,提出了基于比例积分算法的极限操舵方式对超高速水下航行器实施航向控制的方法,此类控制方法在确保航向准确性的同时保证了超空泡的稳定性,且简单易实现,鲁棒性好,数字仿真证明该方法的有效性.     

超高速水下航行器纵平面运动特性分析

超高速水下航行器运行于巡航阶段时，由于大部分表面被超空泡所包覆，其运动模式完全不同于常规的全沾湿水下航行器，表现出独有的运动特性。为了对超高速水下航行器实施深度和姿态控制，研究其纵平面运动特性是必要的。该文从超高速水下航行器流体动力产生的机理出发，分析了其力学特性，建立了航行器纵平面运动方程，分析了其欠阻尼运动特性，指出了运动控制中攻角不得超限的关键问题，给出了控制作用不能太强的建议，以上分析结论可为超高速水下航行器控制系统设计提供参考。     

新型随控布局水下航行器近水面运动非线性模型研究

采用随控布局的新型水下航行器配备有多个不同方向的推进器,实现了直接升力控制和直接侧向力控制,具有巡航和悬停2种运动模式。文中详细分析并建立了不同运动模式下的流体动力模型以及环境因素的扰动作用模型,建立了新型水下航行器的6自由度非线性低频运动模型以及波浪作用下的高频运动模型,并进行了计算机仿真。仿真结果表明,该模型不仅可以模拟航行器的巡航以及悬停运动状态,还可以描述航行器的低频运动和高频运动状态,为航行器近海面运动的控制系统设计与仿真提供了参考。     

超空泡水下航行器尾喷温度对空泡形态的影响

为了满足超空泡水下航行体稳定航行的流体动力条件,在航行体上闭合的空泡必须具有特定的形态,形成必要的流体动力布局,来平衡航行体自身的重力以及所受的力矩。该文采用计算流体动力（CFD）方法对2D模型通气超空泡及尾部喷流进行一体化数值仿真研究。在模型处于零攻角时,对不同尾喷温度下的通气超空化流场进行数值分析,得出了超空泡形态随尾部喷流温度的变化规律,与试验所得规律一致,为超空泡航行体的流体动力特性与动力布局研究提供了参考。     

超高速水下航行器定深控制

超高速水下航行器巡航阶段的核心问题是定深控制问题,超高速水下航行器运行于巡航阶段时具有独特的运动特性。针对超高速水下航行器巡航阶段的运动特性及其具体运动条件下的特点,提出了使用极限操舵方式对超高速水下航行器实施直接深度控制以及通过姿态控制从而间接控制深度的2种深度控制方法,同时还对深度反馈信号的获取进行了讨论。本文提出的控制方法简单易实现,鲁棒性好,数字仿真证明了其有效性。     

超高速水下航行器纵向运动稳定性分析

为了进一步研究超高速航行器空化减阻问题,建立了空化状态下超高速水下航行器纵向运动数学模型,对该航行器在巡航段平衡状态下受扰动时的攻角和俯仰角速度的阶跃响应进行了分析,并通过根轨迹法分析了运动的稳定性。分析结果表明,通过给定平衡攻角和平衡舵角,航行器能够呈现一定的静稳定性,该特性有利于以直航弹道为主的超高速水下航行器保持超空泡稳定。     

预置舵角下超空泡航行体运动过程弹道特性研究

为研究超空泡航行体在水平面机动转弯过程中的弹道特性,采用航行体头部设置预置舵角方法实现,开展了0°、3°和6°预置舵角下航行体自由运动的试验研究。试验在水池中进行,采用高速摄影观察不同预置舵角下的空泡演化过程,采用内测装置测量航行体运动参数,获得了不同预置舵角下超空泡航行体水平运动过程中的弹道特性。试验结果表明：当预置舵角为0°时,航行体侧向力由于非定常因素扰动小幅波动,但均值基本为0;当存在预置舵角时,随着预置舵角的增大,轴向力和侧向力不断增加;预置舵角可以控制超空泡航行体的弹道水平机动转弯,且预置舵角越大、弹道越容易转弯,但舵角过大会导致航行体弹道失稳。     

二维弹道修正弹修正机构气动特性研究

二维弹道修正弹气动力特性的研究是求解二维弹道修正弹弹道、分析二维弹道修正弹飞行稳定的基础,是实现精准控制、减小散布必要的理论支撑.该文对二维弹道修正弹的力学特性进行了分析,采用弹翼组合体气动特性工程计算方法,建立二维弹道修正弹气动计算模型,对二维弹道修正弹的升力和阻力进行计算.计算结果与CFD仿真结果对比,误差均小于1...     

基于极大似然法的高速无人艇操纵响应模型参数辨识

高速水面无人艇操纵性预报精度取决于其运动模型中的参数获取精度,针对传统扩展卡尔曼滤波算法难以获取较高精度的模型参数问题,提出一种采用极大似然法辨识获取无人艇操纵运动2阶非线性响应模型参数的方法。基于某无人艇响应模型参数进行20° Z形仿真实验,采集艏向角和舵角变化数据,根据辨识原理与前向差分法设计一种极大似然辨识方法,通过辨识获取了模型参数。进一步研究发现在极大似然法辨识过程中部分参数有参数漂移现象产生,分析得到参数漂移产生的原因在于使用差分法处理Z形实验数据时忽略了舵角变化率的影响。采用正弦仿真实验数据结合极大似然法进行改进辨识研究,其舵角变化率可直接对舵角求导得到。针对极大似然法与扩展卡尔曼滤波算法的辨识结果展开操纵运动仿真实验。实验结果表明：通过极大似然法辨识获取的参数比传统卡尔曼滤波算法能更精确地预报无人艇的操纵运动,且基于正弦仿真实验数据辨识能有效解决极大似然法的参数漂移,从而为极大似然法辨识结果提供更高的精度。     

一种近空间高超声速飞行器的制导律设计与仿真

为了实现一种由助推、近空间巡航和俯冲攻击组成的高超声速飞行器攻击弹道以对付具有大机动能力的目标,采用粒子群优化方法一体化设计高超声速飞行器的固体火箭助推器和助推弹道;巡航段水平面内采用一种3维虚拟目标比例导引律,纵向平面内基于非线性系统奇异摄动理论和虚拟目标导引方法设计一种次最优组合制导律;俯冲攻击段基于随机跳变系统理论设计一种最优制导律.3维全弹道仿真结果表明所设计的制导律合理,中制导律能够有效衔接助推段和俯冲攻击段,末制导律能够有效实现攻击大机动目标的制导任务.     

跨介质UAV水面滑跳转向特性建模与仿真

跨介质无人驾驶飞行器(UAV)飞行处于近水面,无法采用常规UAV的气动舵面提供转向力,导致转向困难,机动性较差.基于空气动力学、经典势流理论和二元平面滑行理论,提出了UAV水面滑跳转向方法,建立了跨介质UAV滑跳转向飞行动力学模型,并进行了仿真计算,重点研究了跨介质UAV滑跳转向特性及其影响因素,给出了抑制UAV横滚的解决措施.仿真结果表明,跨介质UAV入水角和固定舵角在滑跳转向过程中对自身姿态及其弹道形态均有较大影响.该结果可以为跨介质UAV提供方案总体设计、弹道规划、可靠性设计和控制系统设计理论依据和计算方法.     

远程变后掠翼巡航导弹多任务弹道设计及仿真

为研究适配变后掠翼巡航导弹多任务飞行的弹道设计问题,将导弹飞行过程分为爬升、巡航、下滑、盘旋和攻击5个飞行阶段。为了使导弹实现快速平稳的爬升和下滑,并顺利地转入巡航和盘旋阶段,弹道高度采用指数形式的程序飞行高度指令函数,并根据导弹运动方程,解析出高度指令函数关键参数的选择公式; 盘旋段采用覆盖作战区域的圆形弹道,偏航过载指令由与作战区域面积相关弹道曲率得出; 巡航段采用等高飞行直线弹道,攻击段采用自动寻的导引。弹道仿真结果表明,所设计的多任务弹道及指令合理,满足多任务飞行和高精度制导要求。